Il fisico che scommette che la gravità non può essere quantizzata | Rivista Quanta

La maggior parte dei fisici si aspetta che quando ingrandiamo il tessuto della realtà, la stranezza non intuitiva della meccanica quantistica persista fino alle scale più piccole. Ma in quei contesti, la meccanica quantistica si scontra con la gravità classica in modo decisamente incompatibile.

Quindi, per quasi un secolo, i teorici hanno cercato di creare una teoria unificata quantizzando la gravità o scolpendola secondo le regole della meccanica quantistica. Non ci sono ancora riusciti.

Jonathan Oppenheim, che gestisce un programma che esplora le alternative post-quantiche all'University College di Londra, sospetta che ciò sia dovuto al fatto che la gravità semplicemente non può essere compressa in una scatola quantistica. Forse, sostiene, la nostra presunzione che debba essere quantizzata è sbagliata. "Quel punto di vista è radicato", ha detto. "Ma nessuno sa quale sia la verità."

Le teorie quantistiche si basano sulle probabilità piuttosto che sulle certezze. Ad esempio, quando misuri una particella quantistica, non puoi prevedere esattamente dove la troverai, ma puoi prevedere la probabilità che venga trovata in un luogo particolare. Inoltre, più sei sicuro della posizione di una particella, meno sei sicuro della sua quantità di moto. Nel corso del 20° secolo, i fisici hanno gradualmente compreso l'elettromagnetismo e altre forze utilizzando questo quadro. 

Ma quando hanno provato a quantizzare la gravità, si sono imbattuti in infiniti innaturali che dovevano essere aggirati con goffi trucchi matematici.

 I problemi sorgono perché la gravità è un risultato dello spazio-tempo stesso, piuttosto che qualcosa che agisce su di esso. Quindi se la gravità è quantizzata, significa che anche lo spazio-tempo è quantizzato. Ma non funziona, perché la teoria quantistica ha senso solo su uno sfondo spazio-temporale classico: non puoi aggiungere e quindi evolvere stati quantistici su una base incerta. 

Per affrontare questo profondo conflitto concettuale, la maggior parte dei teorici si è rivolta alla teoria delle stringhe, che immagina che la materia e lo spazio-tempo emergano da minuscole stringhe vibranti. Una fazione più piccola ha cercato di avvolgere la gravità quantistica, che sostituisce lo spazio-tempo uniforme della relatività generale di Einstein con una rete di anelli interconnessi. In entrambe le teorie, il nostro mondo classico e familiare emerge in qualche modo da questi elementi costitutivi fondamentalmente quantistici. 

Oppenheim era originariamente un teorico delle stringhe e i teorici delle stringhe credono nel primato della meccanica quantistica. Ma presto si sentì a disagio con le elaborate acrobazie matematiche che i suoi colleghi eseguivano per affrontare uno dei problemi più noti della fisica moderna: il paradosso dell'informazione del buco nero. 

Nel 2017, Oppenheim ha iniziato a cercare alternative che evitassero il paradosso dell'informazione prendendo come fondamenta sia il mondo quantistico che quello classico. Si è imbattuto in alcuni trascurati riparazioni sulla quanto-classica teorie ibride dagli anni '1990, che è stato estendendo ed esplorando da allora. Studiando come i mondi classico e quantistico sono correlati, Oppenheim spera di trovare una teoria più profonda che non sia né quantistica né classica, ma una sorta di ibrido. "Spesso mettiamo tutte le nostre uova in pochi panieri, quando ci sono molte possibilità", ha detto. 

Per fare il suo punto, Oppenheim di recente fatto una scommessa con Geoff Penington ed Carlos Rovelli - leader nei rispettivi campi della teoria delle stringhe e della gravità quantistica a loop. Le probabilità? 5,000 a 1. Se l'intuizione di Oppenheim è corretta e lo spazio-tempo non è quantizzato, vincerà secchiate di patatine, plastica colorata palline di bazinga, o bicchierini di olio d'oliva, secondo la sua fantasia, purché ogni articolo costi al massimo 20 pence (circa 25 centesimi).

Ci siamo incontrati in un caffè del nord di Londra pieno di libri, dove ha disfatto con calma le sue preoccupazioni sullo status quo della gravità quantistica ed ha esaltato la sorprendente bellezza di queste alternative ibride. "Sollevano tutti i tipi di domande straordinariamente sottili", ha detto. "Ho davvero perso i miei piedi cercando di capire questi sistemi." Ma lui persevera. 

"Voglio le mie 5,000 palline di bazinga."

L'intervista è stata condensata e modificata per chiarezza.

Perché la maggior parte dei teorici è così sicura che lo spazio-tempo sia quantizzato?

È diventato un dogma. Tutti gli altri campi in natura sono quantizzati. C'è la sensazione che non ci sia niente di speciale nella gravità - è solo un campo come un altro - e quindi dovremmo quantizzarlo.

La gravità è speciale secondo te?

SÌ. I fisici definiscono tutte le altre forze in termini di campi che si evolvono nello spazio-tempo. Solo la gravità ci parla della geometria e della curvatura dello spazio-tempo stesso. Nessuna delle altre forze descrive la geometria di fondo universale in cui viviamo come fa la gravità.

Al momento, la nostra migliore teoria della meccanica quantistica utilizza questa struttura di fondo dello spazio-tempo, definita dalla gravità. E se credi davvero che la gravità sia quantizzata, allora perdiamo quella struttura di fondo.

In che tipo di problemi ti imbatti se la gravità è classica e non quantizzata?

Per molto tempo, la comunità ha creduto che fosse logicamente impossibile che la gravità fosse classica perché l'accoppiamento di un sistema quantistico con un sistema classico avrebbe portato a incoerenze. Negli anni '1950, Richard Feynman immaginò una situazione che illuminasse il problema: iniziò con una particella massiccia che si trova in una sovrapposizione di due posizioni diverse. Queste posizioni potrebbero essere due fori in una lamiera, come nel famoso esperimento della doppia fenditura. Anche qui la particella si comporta come un'onda. Crea uno schema di interferenza di strisce chiare e scure sull'altro lato delle fenditure, il che rende impossibile sapere quale fenditura è passata. Nei resoconti popolari, la particella è talvolta descritta mentre attraversa entrambe le fenditure contemporaneamente.

Ma poiché la particella ha massa, crea un campo gravitazionale che possiamo misurare. E quel campo gravitazionale ci dice la sua posizione. Se il campo gravitazionale è classico, possiamo misurarlo con precisione infinita, dedurre la posizione della particella e determinare quale fenditura ha attraversato. Quindi abbiamo una situazione paradossale: lo schema di interferenza ci dice che non possiamo determinare quale fenditura è passata attraverso la particella, ma il campo gravitazionale classico ci consente di fare proprio questo.

Ma se il campo gravitazionale è quantistico, non c'è paradosso: l'incertezza si insinua quando si misura il campo gravitazionale, e quindi abbiamo ancora incertezza nel determinare la posizione della particella.

Quindi, se la gravità si comporta in modo classico, finisci per sapere troppo. E questo significa che le idee care della meccanica quantistica, come la sovrapposizione, falliscono?

Sì, il campo gravitazionale sa troppo. Ma c'è una scappatoia nell'argomentazione di Feynman che potrebbe consentire il funzionamento della gravità classica.

Cos'è quella scappatoia?

Allo stato attuale, sappiamo solo quale percorso ha preso la particella perché produce un campo gravitazionale definito che piega lo spazio-tempo e ci consente di determinare la posizione della particella. 

Ma se l'interazione tra la particella e lo spazio-tempo è casuale, o imprevedibile, allora la particella stessa non determina completamente il campo gravitazionale. Il che significa che la misurazione del campo gravitazionale non determinerà sempre quale fenditura è passata attraverso la particella perché il campo gravitazionale potrebbe trovarsi in uno dei tanti stati. La casualità si insinua e non hai più un paradosso.

Allora perché più fisici non pensano che la gravità sia classica?

Beh, è ​​logicamente possibile avere una teoria in cui non quantizziamo tutti i campi. Ma affinché una teoria classica della gravità sia coerente con tutto il resto quantizzato, allora la gravità deve essere fondamentalmente casuale. Per molti fisici questo è inaccettabile.

Come mai?

I fisici passano molto tempo a cercare di capire come funziona la natura. Quindi l'idea che ci sia, a un livello molto profondo, qualcosa di intrinsecamente imprevedibile è preoccupante per molti.

Il risultato delle misurazioni all'interno della teoria quantistica sembra essere probabilistico. Ma molti fisici preferiscono pensare che ciò che appare come casualità sia solo il sistema quantistico e l'apparato di misurazione che interagiscono con l'ambiente. Non lo vedono come una caratteristica fondamentale della realtà.

Cosa proponi invece?

La mia ipotesi migliore è che la prossima teoria della gravità non sarà né completamente classica né completamente quantistica, ma qualcosa di completamente diverso.

I fisici escogitano solo modelli che approssimano la natura. Ma come tentativo di un'approssimazione più ravvicinata, i miei studenti e io abbiamo costruito una teoria pienamente coerente in cui i sistemi quantistici e lo spazio-tempo classico interagiscono. Abbiamo solo dovuto modificare leggermente la teoria quantistica e modificare leggermente la relatività generale classica per consentire la rottura della prevedibilità richiesta.

Perché hai iniziato a lavorare su queste teorie ibride?

Ero motivato dal paradosso dell'informazione del buco nero. Quando lanci una particella quantistica in un buco nero e poi lasci evaporare quel buco nero, incontri un paradosso se credi che i buchi neri conservino le informazioni. La teoria quantistica standard richiede che qualunque oggetto tu lanci nel buco nero venga irradiato indietro in qualche modo confuso ma riconoscibile. Ma questo viola la relatività generale, che ci dice che non si può mai sapere di oggetti che attraversano l'orizzonte degli eventi del buco nero.

Ma se il processo di evaporazione del buco nero è indeterministico, allora non c'è paradosso. Non impariamo mai cosa è stato gettato nel buco nero perché la prevedibilità si rompe. La relatività generale è salva.

Quindi la rumorosità in queste teorie ibride quanto-classiche consente la perdita di informazioni?

Esattamente. 

Ma la conservazione dell'informazione è un principio chiave della meccanica quantistica. Perdere questo non può stare facilmente con molti teorici.

È vero. Ci sono stati enormi dibattiti su questo negli ultimi decenni e quasi tutti sono arrivati ​​a credere che l'evaporazione dei buchi neri sia deterministica. Sono sempre perplesso da questo.

Gli esperimenti si risolveranno mai se la gravità è quantizzata o no?

Ad un certo punto. Non sappiamo ancora quasi nulla della gravità sulle scale più piccole. Non è stato nemmeno testato su scala millimetrica, figuriamoci su scala protonica. Ma ci sono alcuni entusiasmanti esperimenti in arrivo online che lo faranno.

Uno è una versione moderna dell'"esperimento Cavendish", che calcola la forza dell'attrazione gravitazionale tra due sfere di piombo. Se c'è casualità nel campo gravitazionale, come in questi ibridi quanto-classici, allora quando proviamo a misurare la sua forza non otteniamo sempre la stessa risposta. Il campo gravitazionale oscillerà. Qualsiasi teoria in cui la gravità è fondamentalmente classica ha un certo livello di rumore gravitazionale.

Come fai a sapere che questa casualità è intrinseca al campo gravitazionale e non un rumore proveniente dall'ambiente?

Tu no. La gravità è una forza così debole che anche i migliori esperimenti hanno già un sacco di oscillazioni. Quindi devi eliminare il più possibile tutte queste altre fonti di rumore. La cosa eccitante è che io e i miei studenti abbiamo dimostrato che se queste teorie ibride sono vere, deve esserci una quantità minima di rumore gravitazionale. Questo può essere misurato studiando gli atomi d'oro in un esperimento a doppia fenditura. Questi esperimenti pongono già dei limiti sul fatto che la gravità sia fondamentalmente classica. Ci stiamo gradualmente avvicinando alla quantità di indeterminatezza consentita.

D'altra parte, ci sono esperimenti che dimostrerebbero che la gravità è quantizzata?

Ci sono esperimenti proposti che cercano l'entanglement mediato dal campo gravitazionale. Poiché l'entanglement è un fenomeno quantistico, sarebbe una prova diretta della natura quantistica della gravità. Questi esperimenti sono molto eccitanti, ma probabilmente tra decenni.